Преломление

Самая первая и основная концепция, с которой следует ознакомиться, это концепция преломления и отражения.

Когда луч света, распространяющийся в воздухе или вакууме, попадает в плотную среду, вроде воды или стекла, его скорость снижается в η раз (η всегда больше 1); η называется показателем преломления. Различные среды (прозрачные для света) имеют различные показатели преломления. Например, скорость света в воздухе составляет 300000 км/с (и почти столько же в вакууме). А когда луч света проходит через стекло, показатель преломления которого равен 1.5, скорость уменьшается до 200000 км/с.

Согласно волновой теории света уменьшение скорости света отражается в уменьшении длины волны. Это явление представляет собой основу концепции преломления. Если луч света падает на поверхность стекла перпендикулярно, длина световой волны уменьшается, но когда луч покидает стекло, скорость восстанавливается до нормального значения, т. е. восстанавливается начальная «воздушная длина волны», и свет продолжает распространяться в том же направлении. Однако же, если луч света падает на поверхность стекла под любым другим углом, получаются интересные вещи: луч (в этом случае он рассматривается с точки зрения волновой природы света) имеет фронт, который не одновременно пересекает стекло (потому что падает под углом). Часть фронта, которая первой попадает в новую среду, «замедляется» первой. Конечным результатом становится преломление луча света, т. е. луч слегка отклоняется от первоначального направления. Величина отклонения зависит от оптической плотности среды.

Чем плотнее среда, т. е. чем выше показатель преломления, тем больше луч отклоняется от первоначального направления.

Существует очень простое соотношение между углами падения и отражения и показателями преломления двух различных сред. Это соотношение было открыто голландским физиком Виллеброр‑дом Снелиусом в начале XVII века. Используя простые вычисления, мы можем определить углы отражения в различных средах. Мы рассмотрим это позже, при вычислении углов полного отражения и числовой апертуры в волоконной оптике.

На рис. 3.1 основы преломления пояснены графически; здесь предполагается, что на стекло падает монохроматический (одной частоты) луч света. На рисунке также показано, что определенный процент падающего света всегда отражается обратно в воздух (или вакуум), но в случае стекла этот процент очень мал.

Теория преломления и отражения будет использоваться в последующих разделах, когда мы будем рассматривать теорию линз и волоконной оптики.

Рис. 3.1. Рефракция света и закон Снелиуса